Peralatan yang Menerapkan Konsep Fisika

Peralatan yang Menerapkan Konsep Fisika

"Mekanika Fluida"

 

Fluida adalah zat alir adalah zat dalam keadaan bisa mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk ketika ditekan. Ada dua macam fluida yaitu cairan dan gas. Salah satu ciri fluida adalah kenyataan bahwa jarak antara dua molekulnya tidak tetap, bergantung pada waktu. Ini disebabkan oleh lemahnya ikatan antara molekul yang disebut kohesi.

Gaya kohesi antara molekul gas sangat kecil jika dibandingkan gaya kohesi antar molekul zat cair. Ini mnyebabkan molekul-molekul gas menjadi relatif bebas sehingga gas selalu memenuhi ruang. Sebaliknya molekul-molekul zat cair terikat satu sama lainnya sehingga membentuk suatu kesatuan yang jelas meskipun bentuknya sebagian ditentukan oleh wadahnya.

Akibat yang lainnya adalah sifat kemampuannya untuk dimampatkan.Gas bersifat mudah dimampatkan sedangkan zat cair sulit. Gas jika dimampatkan dengan tekanan yang cukup besar akan berubah manjadi zat cair. Mekanika gas dan zat cair yang bergerak mempunyai perbedaan dalam beberapa hal, tetapi dalam keadaan diam keduanya mempunyai perilaku yang sama dan ini dipelajari dalam statika fluida.

Fluida terbagi atas dua jenis, yakni fluida tak mengalir (hidrostatika) dan flida mengalir (hidrodinamika). Penerapannya dalam peralatan teknik di kehidupan sehari-hari saat ini banyaklah sekali contohnya dari mulai yang sangat sederhana seperti pompa angin hingga sistem pengeboran minyak lepas pantai.

Dongkrak Hidrolik
Prinsip kerja dongkrak hidrolik adalah penerapan dari hukum Paskal yang berbunyi ”tekanan yang diberikan pada zat cair di dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah”.

Gambar model sederhana dongkrak hirolik

Tekanan yang kita berikan pada pengisap yang penampangnya kecil diteruskan oleh minyak (zat cair) melalui pipa menuju ke pengisap yang penampangnya besar. Pada pengisap besar dihasilkan gaya angkat yang mampu menggangkat beban.

Pompa Hidrolik Ban Sepeda

Gambar pompa hidrolik ban sepeda

Prinsip dari pompa ini juga menerapkan hukum Paskal, pada pompa hidrolik ini kita memberi gaya yang kecil pada pengisap kecil sehingga pada pengisap besar akan dihasilkan gaya yang cukup besar, dengan demikian pekerjaan memompa akan menjadi lebih ringan, bahkan dapat dilakukan oleh seorang anak kecil sekalipun.

Mesin Hidrolik

Gambar Mesin Hidrolik

Hydraulic machinery adalah mesin dan alat-alat yang menggunakan daya fluida untuk melakukan kerja. Alat berat adalah contoh umum. Dalam jenis mesin, cairan tekanan tinggi – disebut hidrolik fluida – ditransmisikan seluruh mesin ke berbagai hidrolik motor dan silinder hidrolik. Fluida dikontrol secara langsung atau secara otomatis oleh katup kontrol dan didistribusikan melalui slang dan tabung. Popularitas mesin hidrolik adalah karena jumlah yang sangat besar kekuasaan yang dapat ditransfer melalui tabung kecil dan selang fleksibel, dan kekuatan tinggi kepadatan dan berbagai macam aktuator yang dapat memanfaatkan kekuatan ini.

Mesin hidrolik dioperasikan dengan menggunakan hidrolik, di mana cairan adalah media powering. Pneumatics, di sisi lain, didasarkan pada penggunaan gas sebagai medium untuk transmisi listrik, generasi dan kontrol.

Filters Filter adalah bagian penting dari sistem hidrolik. Partikel logam terus-menerus dihasilkan oleh komponen mekanis dan perlu dihapus bersama dengan kontaminan lain.

Tubes, Pipes and Hoses Tabung hidrolik presisi seamless pipa baja, khusus dibuat untuk hidrolika. Tabung memiliki ukuran standar untuk rentang tekanan yang berbeda, dengan diameter standar hingga 100 mm. Tabung disediakan oleh produsen dalam panjang 6 m, dibersihkan, diminyaki dan dipasang. Tabung yang saling berhubungan oleh berbagai jenis flensa (terutama untuk ukuran yang lebih besar dan tekanan), pengelasan kerucut / puting (dengan o-cincin meterai), beberapa jenis koneksi dan flare cut-cincin. Ukuran yang lebih besar, hidrolik pipa yang digunakan. Langsung bergabung dengan mengelas tabung tidak dapat diterima karena interior tidak dapat diperiksa.

Seals, fittings and connections Secara umum, katup, silinder dan pompa memiliki bos threaded perempuan untuk sambungan fluida

Basic calculations Daya Mesin hidrolik didefinisikan sebagai Arus x Tekanan. Kekuatan hidrolik yang diberikan oleh sebuah pompa: P dalam [bar] dan Q dalam [menyalakan / min] => (P x Q) ÷ 600 [kW]. Ex. Pompa memberikan 180 [menyalakan / menit] dan P sama dengan 250 [bar] => Pompa daya output = (180 x 250) ÷ 600 = 75 [kW].

Rem Piringan Hidrolik
Ide tekanan zat cair diteruskan melalui zat cair juga digunakan pada mobil untuk sistem pengereman. Setiap rem mobil dihubungkan oleh pipa-pipa menuju ke master silinder. Pipa-pipa penghubung dan master silinder diisi penuh dengan minyak rem.

Gambar Rem Piringan Hidrolik
Ketika kita menekan pedal rem, master silinder tertekan. Tekanannya diteruskan oleh minyak rem ke setiap silinder rem. Gaya tekan pada silinder rem menekan sepasang sepatu rem sehingga menjepit piringan logam. Akibat jepitan ini, timbul gesekan pada piringan yang melawan arah gerak piringan hingga akhirnya dapat menghentikan putan roda.

Sepasang sepatu dapat menjepit piringan dengan gaya yang besar karena sepasang sepatu tersebut dihubungkan ke pedal rem melalui sistem hidrolik. Disini kita menekan silinder yang luas pengisapnya lebih kecil daripada luas pengisap rem, sehingga pada rem dihasilkan gaya yang lebih besar. Jika luas pengisap rem dua kali luas pengisap master, maka dihasilkan gaya rem yang dua kali lebih besar dari gaya tekan kaki pada pedal rem.

Gesekan sepasang sepatu terhadap piringan menimbulkan panas. Oleh karena permukaan piringan sangat luas jika dibandingkan terhadap luas sepasang sepatu, maka panas yang timbul pada piringan segera dipindahkan ke udara sekitarnya. Ini mengakibatkan suhu sepasang sepatu rem hampir tetap (tidak panas).

Hidrometer
Hidrometer adalah alat yang dipakai untuk mengukur massa jenis zat cair. Nilai massa jenis zat dapat diketahui dengan membaca skala pada hidrometer yang ditempatkan mengapung pada zat cair. Hidrometer terbuat dari tabung kaca dan desainnya memiliki tiga bagian. Pada alat ini diterapkan hukum Archimedes.

Gambar Hidrometer
Agar tabung kaca terapung tegak didalam zat cair, bagian bawah tabung dibebani dengan butiran timbal. Diameter bagian bawah tabung kaca dibuat lebih besar supaya volume zat cair yang dipindahkan ke hidrometer dapat mengapung di dalam zat cair

Tangkai tabung kaca didesain supaya perubahan kecil dalam berat benda yang dipindahkan (sama artinya dengan perubahan kecil dalam massa jenis zat cair) menghasilkan perubahan besar pada kedalaman tangkai yang tercelup di dalam zat cair. Ini berarti perbedaan bacaan pada skala untuk berbagai jenis zat cair menjadi lebih jelas.

Gambar Karburator

Penampang bagian atas menyempit sehingga udara yang mengalir pada bagian ini bergerak dengan kelajuan yang tinggi. Sesuai asas Bernoulli, tekanan pada bagian ini rendah. Tekanan didalam tangki bensin sama dengan tekanan atmosfer. Tekanan atmosfer memaksa bahan bakar tersembur keluar melalui jet sehingga bahan bakar bercampur dengan udara sebelum memasuki silinder mesin.

Sayap Pesawat Terbang
Penerapan lain dari asas Bernoulli adalah pada gaya angkat sayap pesawat terbang. Pesawat terbang dapat terangkat ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat. Jika tidak ada udara maka pesawat terbang tidak akan terangkat.

Gaya angkat terbangkitkan karena ada perbedaan tekanan di permukaan atas dan permukaan bawah sayap. Bentuk airfoil sayap diciptakan sedemikian rupa agar tercipta karakteristik aliran yang sesuai dengan keinginan. Singkatnya, gaya angkat akan ada jika tekanan dibawah permukaan sayap lebih tinggi dari tekanan diatas permukaan sayap. Perbedaan tekanan ini dapat terjadi karena perbedaan kecepatan aliran udara diatas dan dibawah permukaan sayap. Sesuai hukum Bernoulli semakin cepat kecepatan aliran maka tekanannya makin rendah. Besarnya gaya angkat yang dibangkitkan berbanding lurus dengan Luas permukaan sayap, kerapatan udara, kuadrat kecepatan, dan koefisien gaya angkat.

Jadi, untuk pesawat udara, engine berfungsi memberikan gaya dorong agar pesawat dapat bergerak maju. Akibat gerak maju pesawat maka terjadi gerakan relatif udara di permukaan sayap. Dengan bentuk geometri airfoil tertentu dan sudut serang sayap (angel of attack) tertentu maka akan menghasilkan suatu karakteristik aliran udara dipermukaan sayap yang kemudian akan menciptakan beda tekanan dipermukaan atas dan permukaan bawah sayap yang kemudian membangkitkan gaya angkat yang dibutuhkan untuk terbang.

Penampang sayap pesawat terbang mempunyai bagian belakang yang lebih tajam dan sisi bagian atas yang lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya. Bentuk ini menyebabkan garis arus seperti gambar di bawah.

Agar Pesawat Terbang

Fungsi bagian "sirip hiu" tersebut untuk mengatur aliran udara di atas sayap.
Coba perhatikan, bila pesawat sedang take off atau mau mendarat, sirip tadi biasanya diangkat ke atas.

Diangkatnya sirip tadi akan memperkecil tekanan udara di sisi atas pesawat. Sehingga tekanan udara bagian bawah lebih besar dan pesawat akan terangkat ke atas.

Ketika pesawat mau mendarat, sirip juga di naikkan karena untuk mengangkat bagian depan (moncong) pesawat sehingga yang menyentuh tanah duluan adalah ban belakang (bukan ban depan).

Fenomena Angin
Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara (tekanan tinggi ke tekanan rendah) di sekitarnya.

Apabila dipanaskan, maka udara memuai. Udara yang telah memuai menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini terjadi, tekanan udara turun kerena udaranya berkurang. Udara dingin disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tadi. Udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Diatas tanah udara menjadi pAnas lagi dan naik kembali. Aliran naiknya udara panas dan turunnya udara dingin ini dinamakan konveksi.

Kecepatan angin di dekat khatulistiwa lebih cepat dari lainnya. Semakin tinggi tempat, semakin kencang pula angin yang bertiup. Di siang hari, angin bergerak lebih cepat bila diandingkan dengan malam hari.
Sedang angin darat dan angin laut terjadi karena perbedaan tekanan udara antara permukaan laut dan daerah daratan di sekitar pantai. Sebagai akibat adanya sinar matahari yang meninari kawasan tersebut.

Terjadinya Tsunami
Tsunami adalah istilah dalam bahasa Jepang yang pada dasarnya menyatakan suatu gelombang laut yang terjadi akibat gempa bumi tektonik di dasar laut. Magnitudo Tsunami yang terjadi di Indonesia berkisar antara 1,5-4,5 skala Imamura, dengan tinggi gelombang Tsunami maksimum yang mencapai pantai berkisar antara 4 - 24 meter dan jangkauan gelombang ke daratan berkisar antara 50 sampai 200 meter dari garis pantai.
Berdasarkan Katalog gempa (1629 - 2002) di Indonesia pernah terjadi Tsunami sebanyak 109 kali , yakni 1 kali akibat longsoran (landslide), 9 kali akibat gunung berapi dan 98 kali akibat gempa bumi tektonik. Dan yang terakhir terjadi adalah di Aceh dan kawasan pantai selatan

Yang paling mungkin dapat menimbulkan tsunami adalah : gempa yang terjadi di dasarkan laut, kedalaman pusat gempa kurang dari 60 km, magnitudo gempa lebih besar dari 6,0 skala Richter, serta jenis pensesaran gempa tergolong sesar naik atau sesar turun. Hal diatas yang memicu terjadinya tsunami di daerah Kepulauan Seram, Ambon, Kepulauan Banda dan Kepulauan Kai.

Gempa yang menimbulkan tsunami sebagian besar berupa gempa yang mempunyai mekanisme fokus dengan komponen dip-slip, yang terbanyak adalah tipe thrust (Flores 1992) dan sebagian kecil tipe normal (Sumba 1977).Gempa dengan mekanisme fokus strike slip kecil sekali kemungkinan untuk menimbulkan tsunami.

Tsunami dapat terjadi jika terjadi gangguan yang menyebabkan perpindahan sejumlah besar air, seperti letusan gunung api, gempa bumi, longsor maupun meteor yang jatuh ke bumi. Namun, 90% tsunami adalah akibat gempa bumi bawah laut. Dalam rekaman sejarah beberapa tsunami diakibatkan oleh gunung meletus, misalnya ketika meletusnya Gunung Krakatau.

Gerakan vertikal pada kerak bumi, dapat mengakibatkan dasar laut naik atau turun secara tiba-tiba, yang mengakibatkan gangguan kesetimbangan air yang berada di atasnya. Hal ini mengakibatkan terjadinya aliran energi air laut, yang ketika sampai di pantai menjadi gelombang besar yang mengakibatkan terjadinya tsunami.
Gerakan vertikal ini dapat terjadi pada patahan bumi atau sesar. Gempa bumi juga banyak terjadi di daerah subduksi, dimana lempeng samudera menelusup ke bawah lempeng benua.

Kejadian gempa bumi yang menimbulkan gelombang tsunami sehingga menyapu sejumlah negara dan menimbulkan korban jiwa puluhan ribu jiwa, bermula dari pergeseran lempeng bumi pada lapisan litosfir di bawah laut. Pergeseran lempeng tersebut terjadi akibat pertemuan lempeng Australia di bagian Selatan dengan Lempeng Euroasia di bagian Utara. Pertemuan antarkedua lempeng tersebut menimbulkan salah satu lempeng terdorong ke bawah.

Pergeseran lempeng menimbulkan getaran yang disebut gelombang seismik. Gelombang tersebut bergerak ke segala arah menjauhi sumber getaran di dalam bumi. Ketika gelombang tersebut mencapai permukaan bumi, maka getarannya menimbulkan kerusakan, dan sangat dipengaruhi kekuatan dan jarak dari sumber gempa.

Gerakan vertikal dari dasar laut akan menaikkan atau menurunkan air yang berada di atasnya. Kejadian itu akan mendorong gelombang bergerak keluar. Gerakan yang semula tidak terasa dari dalam laut, tiba-tiba muncul sebagai tsunami yang menghantam pinggir pantai.

Tanah longsor yang terjadi di dasar laut serta runtuhan gunung api juga dapat mengakibatkan gangguan air laut yang dapat menghasilkan tsunami. Demikian pula halnya dengan benda kosmis atau meteor yang jatuh dari atas. Jika ukuran meteor atau longsor ini cukup besar, dapat terjadi mega tsunami yang tingginya mencapai ratusan meter.


Kesimpulan Bang Bro tentang terapan fluida dalam kehidupan sehari-hari

Jadi, pada dasarnya terdapat dua hukum yang berlaku dalam mekanika fluida, yaitu: statika dan dimanika. Contonya air, patuh pada hukum Hidrostatika (misalnya hukum Archimedes) dan juga patuh pada hukum Hidrodinamika. Dalam gas/udara berlaku hukum aerosatika dan hukum aerodinamika.
Contoh pemanfaatan hukum:
a. Hidro statika: transportasi dengan kapal laut.
b. Aerstatika: balon udara, Zepellin.
c. Aerodinamika: pesawat udara, peluru kendali.
d. Hydrodinamika: turbin air dan baling-baling kapal laut, permainan selancar diair.
Yang termasuk dalam Fluida adalah :
a.benda cair: air,minyak,bensin,olie, dsb
b. gas: udara, oksigin, hidrogin, nitrogin, dsb
e. gas yang dijadikan cair: LPG, LNG,dsb
f. gas yang mengembun atau zat cair berbentuk uap: uap air, uap spiritus, uap bensin.dsb

Dari contoh kita dapat memperkirakan apa manfaat fluida dan perannya bagi kehidupan sehari-hari. Tanpa ada fulida (misalnya air) maka tak mungkin terjadi kehidupan (living organisme). tanpa oksigen juga manusia akan segera punah.

Optical Tweezer (Penjebak optikal), sebuah penggerak nano berbasis optik

Penjebak Optis (atau istilah populernya dalam dunia sains adalah Optical Tweezer) yang sebenarnya dinamakan dengan “single-beam gradient force trap” atau “berkas gradien gaya penjebak tunggal” adalah instrumen ilmiah yang menggunakan berkas laser yang difokuskan secara kuat untuk mendapatkan gaya tarik atau gaya tolak (biasanya dalam orde piconewton, ) yang tergantung pada perbedaan indeks refraksi pada pegangan fisis dan gerakan mikoskopik obyek dielektrik. Penjepit optis telah sukses di dalam penyelidikan berbagai macam sistem biologi dalam beberapa tahun ini.

• Sejarah dan Perkembangan

Pendeteksian hamburan optis dan gradien gaya pada partikel berskala mikrometer pertama kali dilaporkan pada 1970 oleh Arthur Ashkin, seorang ilmuwan yang bekerja di Bell Labs. Setahun kemudian, Ashkin dan koleganya melaporkan observasi pertamanya pada apa yang sekarang ini biasanya dikenal dengan penjebak optis: berkas cahaya yang difokuskan dengan kuat yang mampu memegang partikel mikroskopis dengan stabil dalam tiga dimensi.

Salah satu pemilik makalah seminar 1986, Sekretariat energi Amerika Serikat, Steven Chu, akan menggunakan penjebak optis dalam penelitiannya dalam mendinginkan dan menjebak atom netral. Dari penelitian ini, Chu mendapatkan penghargaan Nobel dalam bidang Fisika bersama dengan Claude Cohen-Tannoudji dan William D. Philllips. Dalam interviewnya, Steven Chu menjelaskan bagaimana Ashkin pertama kali memimpikan penjebak optis sebagai metode untuk menangkap atom. Ashkin menyatakan mampu untuk menangkap partikel yang lebih besar (diameter 10 hingga 10.000 nanometer) tetapi hal tersebut menginspirasi Chu untuk memperluas teknik tersebut untuk menangkap atom netral (diameter 0,1 nanaometer) dengan memanfaatkan cahaya laser resonan dan perangkap gradien magnetik.

Pada akhir 1980-an, Arthur Ashkin dan Joseph M. Dziedzic mendemonstrasikan teknologi aplikasi pertamanya pada ilmu biologi, dengan mengunakannya  untuk menangkap virus mosaik tembakau tunggal dan bakteri Escherichia coli. Selama tahun 1990 dan sesudahnya, peneliti seperti Carlos Bustamante, James Spudich, dan Steven block mengawali penggunaan penjebak optis spektroskopi gaya untuk mengkarakterisasi molekuler skala penggerak biologi. Penggerak motor molekuler ini banyak dijumpai dalam biologi, dan yang bertanggungjawab dalam daya gerak dan aksi mekanis dalam sel. Penjebak optis memudahkan biofisikawan untuk mengobservasi gaya dan dinamika penggerak skala nano pada level molekul tunggal, spektroskopi gaya penjebak optis telah memimpin kepada pemahaman yang lebih besar dari asal-usul stokastik dari gaya pembentuk molekul.

Penjebak optis telah terbukti sangat berguna dalam daerah di luar biologi dengan baik. Untuk singkatnya, pada tahun 2003 teknik penjebak optis telah diaplikasikan dalam penyortiran sel: dengan pembentukan pola intensitas optis skala besar yang dikenakan pada area sampel, sel dapat disortir ke dalam masing-masing karakteristik optikal instrinsiknya. Penjebak optis juga telah digunakan untuk menyelidiki sitoskeleton, pengukuran sifat visko-elastik dari biopolimer, dan mempelajari kematian sel.

• Aspek Fisika Penjebak Optis

Obyek dielektrikum ditarik menuju pusat bekas, sedikit berada di atas pusat berkas, seperti yang dijelaskan dalam teks. Gaya yang bekerja pada obyek bergantung pada perpindahan liner dari pusat jebakan seperti pada sistem pegas sederhana

• Penjelasan Umum

Penjepit optis mampu untuk memanipulasi partikel dielektrik berukuran mikro bahkan dalam skala nanometer dengan mengerahkan gaya yang secara ekstrim sangat kecil melalui berkas laser yang difokuskan. Berkas ini biasanya difokuskan dengan cara melewatkannya ke dalam mikroskop objektif. Titik tertipis berkas laser dinamakan dengan beam waist (berkas pinggang, karena bentuknya mirip pinggang, khususnya pinggang perempuan), yang terdiri dari gradien medan listrik sangat besar. Hal ini menyebabkan partikel dielektrik ditarik sepanjang gradien menuju daerah dengan medan listrik terbesar yang terletak di pusat berkas. Cahaya laser juga cenderung untuk mengenakan gaya pada partikel dalam berkas sepanjang arah perambatan berkas. Pernyataan ini dapat dengan mudah dipahami apabila kita menganggap bahwa cahaya berperilaku sebagai sekumpulan partikel, dimana masing-masing partikel cahaya menyangkut partikel dielektrik kecil dalam jalurnya. Ini dikenal dengan gaya hamburan dan hasilnya adalah partikel dapat dipindahkan ke dalam pusat dari beam waist. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar.

Perangkap optis adalah sebuah instrumen yang sangat sensitif dan mampu untuk memanipulasi dan mendeteksi perpindahan pada skala sub-nanometer untuk partikel dielektrik berskala sub-mikrometer. Untuk alasan ini, penjebak optis sering digunakan untuk memanipulasi dan mempelajari molekul tunggal dengan menginteraksikan butiran partikel yang didempetkan pada molekul yang ingin dipelajari. DNA, protein, dan enzim yang berinteraksi dengannya biasanya dipelajari dengan cara seperti ini.

Untuk pengukuran ilmiah kuantitatif, kebanyakan perangkap optis dioperasikan dalam suatu cara di mana partikel dielektrik yang jarang berpindah jauh dari pusat perangkap. Alasannya adalah bahwa gaya yang diaplikasikan kepada partikelnya adalah linier terhadap perpindahannya dari pusat perangkap sepanjang perpindahannya adalah cukup kecil. Dengan cara ini, perangkap optis dapat di misalkan sebagai sistem pegas sederhana yang mengikuti hukum Hooke.

• Penjelasan lebih mendetail dari Penjebak optis

Penjelasan yang lebih tepat mengenai perilaku perangkap optis bergantung pada ukuran partikel yang terperangkap relatif terhadap panjang gelombang cahaya laser yang digunakan untuk menjebak partikel tersebut. Pada kasus di mana dimensi partikel lebih besar dari pada panjan gelombang, perlakuan optika sinar sederhana cukup memenuhi. Apabila panjang gelombang cahaya cukup besar dibandingkan dengan dimensi partikel, maka partikel dapat dianggap sebagai dipol elektrik dalam sebuah medan listrik. Untuk perangkap optis, dimensi partikel dielektrik dengan besar orde panjang gelombang berkas perangkapnya, model yang akurat untuk kondisi ini adalah persamaan Maxwell bergantung waktu dan Persamaan Maxwell harmonik dengan menggunakan syarat batas yang sesuai.

• Pendekatan Optika Cahaya

Dalam kasus di mana diameter partikel yang terperangkap cukup besar dibandingkan dengan panjang gelombang cahaya, fenomena perangkapan dapan dijelaskan menggunakan optika cahaya. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar, berkas cahaya tunggal yang diemisikan dari laser akan terefraksi setelah melewati butiran partikel dielektrik. Sebagai hasilnya, sinar akan keluar dengan arah yang berbeda dari arah sebelum melalui butiran. Karena cahaya memiliki momentum, perubahan arah cahaya mengindikasikan adanya perubahan momentum. Berdaraskan Hukum Newton ketiga, seharusnya terdapat perubahan momentum yang sama besar dengan arah yang berlawanan pada partikel.

Kebanyakan perangkap optis bekerja dengan berkas gaussian (mode TEM₀₀). Pada kasus ini, jika partikel berpindah dari pusat berkas, seperti yang ditunjukkan dalam gambar, maka partikel memiliki gaya neto yang mengembalikan partikel kembali ke pusat perangkap karena kebanyakan berkas memberikan perubahan momentum yang lebih besar menuju pusat perangkap dari pada sebagian kecil berkas yang memberikan perubahan momentum yang mengarah keluar pusat perangkap.

Jika partikel berada di dalam pusat berkas, maka berkas cahaya tunggal akan terefraksi melewati partikel secara simetris, dan ini menghasilkan gaya neto kesamping nol. Gaya neto dalam kasus ini adalah sepanjang arah aksial perangkap, yang saling menghilangkan gaya hamburan cahaya laser. Penghilangan gaya gradien aksial dengan gaya hamburan adalah apa yang menyebabkan butiran partikel tersebut dengan stabil terperangkap di dalam beam waist.

Sifat-sifat Optis Jaringan tubuh, Sebuah Gambaran Umum Mengenai Perambatan Cahaya dalam Jaringan Tubuh

Spektrum elektromagnetik memberikan banyak perangkat fotonika untuk penyelidikan, dan interaksi dengan sistem biologi. Fenomena elektromagnetik sangat banyak digunakan dalam biomedikal untuk mendeteksi dan mengobati penyakit dan juga untuk memajukan ilmu pengetahuan. Fokus kita kali ini adalah pada perambatan “cahaya” di dalam jaringan biologi. Tujuan utamanya adalah memberikan pendahuluan sifat-sifat linier optis jaringan tubuh manusia dari pandangan konseptual, yang menegaskan pada bagaimana sifat-sifat tersebut di gunakan dalam deskripsi perjalanan cahaya. Istilah cahaya bisa memiliki banyak arti, tetapi yang digunakan di sini adalah merujuk pada salah satu bagian spektrum elektromagnetik dengan panjang gelombang pada ruang hampa dalam jangkauan antara 1 m hingga 100 nm (atau dalam frekuens, , hingga Hz, di mana c adalah kecepatan cahaya). Jangkauan spektral ini termasuk di dalamnya dekat inframerah (near infrared atau NIR), cahaya tampak, dan ultraungu (UV) A, B, dan C, dan juga meliputi dengan sesuatu yang dinamakan dengan jendela terapetik (atau diagnosa) dengan fungsi yang sangat penting di dalam fotonika biomedik (Gambar 2.1).

Seperti yang dibahas dalam artikel sebelumnya, penjelasan kuantum mengenai cahaya dalam bentuk foton sangatlah penting untuk memahami pertukaran energi dan momentum antara cahaya dan materi dan menyajikan teori utama untuk spektroskopi molekuler. Bentuk fotonika, bagaimanapun juga merujuk pada semua fenomena gelombang elektgromagnetik, ada atau tidak, sifat-sifat kuantum pada cahaya (foton) adalah komponen penting dalam penjelasan ini. Terdapat pula kesetaraan dengan penggunaan elektronika yang berhubungan dengan fenomena sirkuit, dalam banyak aplikasi aliran arus listrik dalam alat listrik dapat digagaskan sebagai aliran listrik kontinu, dan sifat-sifat kuantum elektron tidak dibutuhkan untuk memahami perilaku sirkuit.

Dalam ranah fisika, fenomena lebih sering dijelaskan dalam pandangan klasik atau pandangan kuantum. Bentuk klasik merujuk pada teori-teori yang tidak menggunakan konsep mekanika kuantum. Dalam teori klasik, cahaya dipandang sebagai medan osilasi elektromagnetik (EM) yang mempunyai jangkauan energi kontinu. Dalam model kuantum, gelombang cahaya terdiri dari peket-paket energi (yaitu kuanta) yang dinamakan dengan foton. Masing-masing foton memiliki energi yang proporsional terhadap frekuensi gelombang EM. Teori kuantum memperkenalkan ide bahwa cahaya dan materi dapat bertukar energi sebagai foton, paket energi pokok, , di mana h adalah konstanta Planck. Penjelasan perambatan cahaya dalam jaringan memadukan pandangan keduanya: gambaran klasik yang digunakan untuk mendefinisikan dinamika tranpor cahaya secara matematis (misalnya, untuk menghitung cross section hamburan) dan konsep foton diperkenalkan dalam penjelasan khusus ketika dibutuhkan (misalnya, untuk menghitung proses transisi molekuler, seperti absorpsi, luminesensi, dan hamburan Raman).

Gambar 1. Spektrum elektromagnetik dengan daerah yang didiskusikan kali ini diperluas di sebelah kanan. Ini termasuk berkas sinar UV-C (100 hingga 280 nm), UV-B (280 hingga 315 nm), dan UV-A (315 hingga 400 nm), daerah cahaya tampak (400 hingga 760 nm), dan berkas IR-A (760 hingga 1400 nm). Bidang terapetik (lihat gambar 2.16) diperluas dari 600 nm (bagian orange pada sinar tampak) hingga 1300 nm (berkas IR-A).

Karena efek hamburan banyak adalah fitur penting perambatan cahaya dalam jaringan, aplikasi langsung teori EM pada permasalahan jaringan optis menjadi sangatlah kompleks. Terdapat solusi yang menggunakan pendekatan EM secara langsung, yaitu sebuah model yang dikenal dengan teori radiation transport (RT) digunakan untuk menyelesaikan permasalahan tesebut, teori RT mengabaikan beberapa fenomena gelombang seperti polarisasi dan interferensi, dan hanya menggunakan transpor energi cahaya dalam medium (dalam artikel berikutnya akan kita lihat bagaimana ini bisa terjadi). Seperti yang kita bahas sebelumnya, model RT secara implisit menggabungkan elemen klasik dan penjelasan kuantum dari cahaya. Model ini tidak hanya spesifik pada cahaya saja, tetapi juga memiliki aplikasi penting lainnya, seperti transpor netron dan termodinamika.

Gambar 2. diagram skematik gelombang elektromagnetik, yang terdiri dari osilasi medan listrik dan medan magnet. Polarisasi ditunujukkan oleh arah dari vektor medan listrik pada gelombang. Pada  kasus yang ditunjukkan, polariasasinya adalah linier dan dalam arah vertikal.

Dalam penjelasan elektromagnetik, cahaya terdiri atas gelombang magnet dan listrik yang berosilasi (Gambar 2). Dua parameter penting gelombang cahaya adalah fasa dan polarisasi. Fasa adalah sifat umum gelombang dan memberikan efek penting seperti interferensi dan diffraksi. Polarisasi merujuk pada orientasi vektor medan listrik pada gelombang EM. Kedua gelombang (listrik dan magnet) pastilah terjadi overlap dalam peristiwa polarisasi agar terjadi interferensi. Dalam ruang hampa, polarisasi tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang. Selama teori RT hanya berhubungan dengan transpor energi, maka secara eksplisit teori RT mengabaikan fasa dan polarisasi gelombang EM, walaupun menggunakan sifat-sifat gelombang secara implisit melewati parameter material yang dimasukkan ke dalam persamaan pokok. Validitas dari teori RT untuk media hamburan optis secara kuat telah baku secara empiris, dan hubungan teoritis antara teori RT dan hukum-hukum fundamental EM juga telah dibuktikan; namun demikian, terdapat beberapa percobaan yang memberikan hasil yang berbeda antara fenomena gelombang EM secara alami dengan model empiris RT.

Teknologi Bantalan Karet Tahan Gempa

Penggunaaan Bantalan karet alam untuk melindungi bangunan terhadap gempa bumi, yang dikenal sebagi base isolation tampaknya akan semakin luas dan berkembang dimasa mendatang. Indonesia sebagai salah satu negara yang rawan gempa diperlu teknologi pembuatan bantalan tahan gempa.

Musibah gempa besar hampir selalu meninggalkan kerusakan infrastruktur bangunan yang tidak kecil. Untuk mengantisipasi kerusakan parah terhadap fisik bangunan di daerah rawan gempa bumi, Badan Litbang Pertanian melalui Balai Penelitian Teknologi Karet Bogor yang dikoordinasikan Lembaga Riset Perkebunan Indonesia (LRPI ), telah melakukan uji coba teknologi bantalan karet tahan gempa (seismic bearing) terhadap bangunan berlantai IV di Pelabuhan Ratu. Penggunaan bantalan dari lempengan karet alam dan lempengan baja tersebut dapat mengurangi reaksi getaran horizontal sampai 70%.

Balai Penelitian Teknologi karet Bogor sebagai Balai Penelitian mempunyai teknologi pembuatan bantalan tahan gempa yang digunakan untuk rumah tinggal maupun maupun gedung bertingkat. Bantalan yang digunakan untuk melindungi gempa bumi dibuat dari kombinasi lempengan karet alam dan lempeng baja. Bantalan tersebut dipasang disetiap kolom yaitu diantara pondasi dan bangunan. Karet alam berfungsi untuk mengurangi getaran akibat gempa bumi sedangkan lempeng baja digunakan untuk menambah kekakuan bantalan karet sehingga penurunan bangunan saat bertumpu diatas bantalan karet tidak besar.

Bantalan karet alam tersebut dapat mengurangi daya reaksi, karena secara alami karet alam memiliki sifat fleksibilitas dan menyerap energi. Penggunaan bantalan karet alam untuk melindungi bangunan terhadap gempa bumi.

• Prinsip Kerja

Pengaruh gempa bumi yang sangat merusak struktur bangunan adalah komponen getaran karet horizontal. Getaran tersebut dapat menimbulkan gaya reaksi yang besar, bahkan pada puncak bangunan dapat berlipat hingga mendekati dua kalinya. Oleh sebab itu apabila gaya yang sampai pada bangunan tersebut lebih besar dari kekuatan struktur maka bangunan tersebut akan rusak. Gaya reaksi yang sampai bangunan dapat dikurangi melalui penggunaan bantalan karet tahan gempa. Pada dasarnya cara perlindungan bangunan oleh bantalan karet tahan gempa dicapai melalui pengurangan getaran gempa bumi kearah horizontal dan memungkinkan bangunan untuk begerak bebas saat berlangusung gempa bumi tanpa tertahan oleh pondasi. Bantalan karet alam tersebut dapat mengurangi daya reaksi hingga 70%, karena secara alami karet alam memiliki sifat fleksibilitas dan menyerap energi .

• Hasil Uji sifat fisik dari Bantalan Karet Tahan Gempa BPTK Bogor

Sifat bahan	Hasil uji bahan tipe a	Hasil uji bahan tipe b
Hardness, Shore A	63	66
Tensile strenght, kg/cm2	242	262
Modulus 100%, kg/cm2	32	36
Modulus 300%, kg/cm2	132	129
Elongation at Break, %	500	510
Tear strenght, kN/m	71,8	71,8
Compression set 25%, at 70 ° C, 22 hrs, %	20,81	20,81
Ozone resistance 25 pphm, 20% strain, at 40 ° C, 72 hrs	No cracks	No Cracks

Keterangan :
a = Uji Langsung
b = Uji setelah pengusangan pada 70 ° C, 168 jam

• Beberapa Dokumentasi Hasil Penelitian

1. Bangunan tanpa bantalan karet 
2. Bangunan dengan bantalan karet
3.  Uji tekan geser
4. Uji tekan Vertikal
5. Bagunan tahan gempa berlantai 4
6. Posisi bantalan karet

Kolam Surya untuk Pembangkit Listrik

 Kolam surya

Kita tentu pernah merasakan panasnya aspal atau pelataran beton ketika memijakkan kaki kita dengan telanjang pada saat matahari terik, dan kita tentu tahu bahwa panas tersebut berasal dari pancaran matahari. Panas tersebut terbuang percuma di Alam, tetapi coba kita pikirkan. Apakah panas tersebut akan berguna sebagai sumber energi baru, karena panas adalah sebagai salah satu bentuk energi.

Kendala yang dihadapi, panas tidaklah jauh merasuki aspal atau beton. Beberapa sentimeter di bawah permukaan tidak terasa menyengat lagi. Kalau begitu bagaimana bisa menyediakan dan membagikan energi itu keluar? Orangpun menengok air, yang tampaknya lumayan baik menampung energi matahari, terbukti dari hangatnya air kolam di pekarangan.

Tetapi ada masalah. Air yang panas akan memuai, menjadi lebih renggang dibandingkan yang dingin. Karena merenggang, berat jenisnya turun, sehingga air yang terpanggang matahari akan mengapung, berada di atas air yang lebih dingin. Dan energi panas itupun disia-siakan, karena permukaan air berhadapan dengan udara yang relatif sejuk. Panaspun dengan mudah diserahkan kepada udara, apalagi jika ada angin bertiup.

Sebagai hasilnya, air di dekat dasar kolam tidak kunjung menjadi panas. Pancaran surya hanya sempat dipetik oleh bagian atas, sudah itu dibuang ke udara.

• Pencampuran dengan Garam

Tetapi ilmuwan tidak kekurangan akal. Ke dalam air kolam ditambahkan garam. Telah diketahui bahwa air yang panas lebih mampu melarutkan garam ketimbang air yang dingin. Mirip dengan gula yang ditambahkan ke dalam air teh. Gula cepat larut jika tehnya panas, sedangkan jika tehnya dingin, tumpukan gula tampak awet di dasar gelas.

Jadi garam mudah larut dalam air kolam yang panas. Karena air panas ini sekarang mengandung garam, berat jenisnya naik sehingga tidak lagi ringan, malahan akan turun ke bawah. Sebaliknya air yang dingin akan sedikit saja mengandung garam, menjadi ringan dan mengisi tempat di atas. Dengan demikian panas dari air tidak diobral ke udara, karena bagian yang panas sekarang terjebak dekat dasar kolam. Terbentuklah situasi yang berbeda dari sehari-hari, sekarang air dingin di atas dan air panas di bawah.

Supaya penangkapan energinya tinggi, dasar kolam dilapis bahan yang menyerap pancaran matahari. Sebagai hasilnya, air di bawah dapat mencapai suhu beberapa puluh derajat Celsius! Ini dia penyedia energi yang relatif mudah dan murah, disebut kolam surya (solar pond).

• Generator Pembangkit Listrik

Namun proses pemanfaatan tenaga surya belum tuntas. Panas perlu diubah ke dalam listrik. Contohnya pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), air digodok oleh api batu bara atau BBM sehingga menjadi uap sangat panas. Uap yang suhu (dan tekanannya) tinggi itu dibiarkan memutar turbin yang dihubungkan dengan generator. Listrikpun dihasilkan.

Buat ukuran PLTU, suhu kolam surya tentu sangat rendah. Namun peneliti sudah menemukan fluida kerja yang cocok, yaitu cairan yang sudah menguap pada suhu di sekitar 60 derajat Celsius. Dengan demikian uap cairan bisa dihasilkan oleh kolam surya, untuk kemudian memutar turbin.

Memang dengan suhu rendah, daya listriknya tidak tinggi. Kolam surya di Israel misalnya, mempunyai luas 7000 meter persegi, air dekat dasar mencapai 90 derajat Celsius dan daya listrik yang dihasilkan 150 kW. Tapi yang menarik adalah kesederhanaannya, relatif ekonomis, sehingga cocok untuk wilayah-wilayah dengan fasilitas terbatas tapi kaya akan pancaran matahari.

Gambaran Umum Photodynamics Therapy (PDT) : Sebuah pengantar dalam dunia Fisika Medis

Photodynamic Therapy (PDT) adalah terapi penyembuhan (kanker, tumor, ataupun penuaan kulit) dengan menggunakan obat yang teraktivasi oleh cahaya (Photosensitizer). Langkah pertama yang dilakukan adalah memasukkan photosensitiser ke dalam tubuh, baik secara lokal maupun sistemik sehingga photosensitizer tersebut tepat berada pada sel kanker yang akan dimusnahkan. Setelah jeda beberapa waktu (mulai dari menit hingga beberapa hari) sesuai dengan biodistribusi optimum, langkah selanjutnya yang dilakukan adalah menyinari bagian tubuh yang diterapi dengan menggunakan sebuah sumber cahaya (cahaya bisa berupa cahaya tampak, laser, maupun inframerah, yang sesuai dengan panjang gelombang yang tepat yang dapat mengaktivasi photosensitizer). Photosensitizer akan menyerap energi cahaya, kemudian akan terjadi proses fotokimia.

Proses fotokimia dimulai sesaat setelah photosensitizer mengarbsorbsi cahaya. Keadaan dasar photosensitizer () akan naik pada keadaan tereksitasi (). Elektron Photosensitizer yang berada pada keadaan tereksitasi ini secara alami akan kembali menuju keadaan dasarnya dengan cara emisi fluoresensi maupun dengan “Intersystem crossing” menuju keadaan triplet (). Proses dari keadaan triplet menuju keadaan dasar sepenuhnya merupakan proses mekanika kuantum yang terjadi dalam selang waktu kira-kira mikrodetik. Proses ini disertai dengan pertukaran energi dengan keadaan dasar molekul oksigen () yang akhirnya akan menghasilkan oksigen keadaan singlet (). bersifat sangat reaktif, molekul inilah yang akan menghancurkan sel kanker yang terjadi dalam proses biologi baik secara apoptosis maupun nekrosis.

Gambar: Mekanisme Photodynamic Therapy (PDT) di dalam tubuh manusia yang meliputi proses fotofisika, fotokima, dan juga efek biologis yaitu pembunuhan sel kanker (tumor).

Studi mengenai mekanisme perambatan cahaya, dimulai dari cahaya yang dihasilkan oleh alat terapi, kemudian merambat pada jaringan tubuh manusia, hingga sampai pada photosensitizer menjadi sesuatu yang sangat penting. Apabila mekanisme ini dapat dijelaskan secara sistematis berdasarkan metode ilmiah, kita dapat menentukan perambatan cahaya yang baik, sehingga cahaya dapat sampai pada photosensitizer secara optimum dengan kehilangan energi yang minimum, mendapatkan efek fotokimia secara optimum, yang akhirnya akan mendapatkan efek bilogis dengan penghancuran sel kanker juga secara optimum pula. Selain itu, kita dapat menentukan penggunaan jenis cahaya yang sesuai, “set up” alat yang baik, sehingga PDT dapat dilakukan dengan hasil yang optimal.

Penelitian yang telah banyak dilakukan adalah berdasarkan eksperimen, sehingga hasil yang diperoleh adalah data-data empiris, yang belum tentu sesuai pada lingkungan laboratorium yang berbeda. Perlakukan “trial and error” ini sangatlah tidak efisien karena tidak memiliki model yang baku, sehingga untuk kasus penyakit kanker yang berbeda pasti ada perlakukan yang berbeda pula, bahkan mungkin dua orang yang memiliki penyakit yang sama akan diberi perlakuan yang berbeda. Oleh karena itu, model mekanisme perambatan cahaya haruslah dibuat.

Model matematis yang sudah ada dalam menjelaskan mekanisme tersebut adalah “Radiation Transport Equation” (RTE) yang berdasarkan pada koefisien interaksi dan sifat-sifat optis jaringan yang terdapat kanker. Namun karena sifat-sifat optis dari jaringan sangat sulit untuk ditentukan secara pasti, walaupun dalam beberapa referensi sudah memberikan data-data tersebut, tetapi karena keakuratan data yang tidak dapat dijamin, sehingga penyelesaian RTE menjadi sulit untuk dilakukan.

Metode lainnya dalam menyelesaikan permasalahan ini adalah dengan menggunakan model monte carlo yang dilakukan dengan simulasi komputer. Metode monte carlo secara luas digunakan dalam dosimetri radiasi ionisasi, metode ini menggunakan sejumah foton yang berinteraksi dengan jaringan yang hasinya di-skor-kan ke dalam masing-masing elemen volume (dalam metode ini, cahaya dianggap sebagai paket-paket cahaya yang dinamakan dengan foton) dan keakuratan dari estimasi monte carlo tergantung dari jumlah foton yang digunakan untuk simulasi. Semakin banyak jumlah foton yang digunakan maka semakin akurat pula hasilnya, namun penggunaan foton yang sangat banyak akan berimbas pada konsumsi waktu yanng banyak dan juga perangkat komputer yang canggih.  Metode ini sangat berguna untuk menghasilkan solusi eksak yang dapat digunakan untuk memeriksa keakuratan dari perhitungan RTE.

Metode alternatif lainnya adalah dengan menyelesaikan RTE itu sendiri secara numerik. Dalam metode koordinat diskret, variabel arah dan posisinya dibuat diskret dan sistem persamaan dibangkitkan dari RTE yang kemudian diselesaikan secara numerik untuk mengestimasi tingkat radiasi dan fluensi.

Dengan harapan bahwa mekanisme perambatan cahaya di dalam jaringan tubuh dapat dibuatkan modelnya secara baku, yang akhirnya penggunaan jenis cahaya, “set up” alat terapi, dosis, dan hal-hal lain yang diperlukan dalam PDT dapat ditentukan secara pasti. Sehingga PDT dapat dilakukan secara optimal dan efisien

Simulasi Monte Carlo: Sebuah Pendekatan Numerik dalam Penelitian Fotodiagnosa Kanker

Simulasi Monte Carlo

Organisasi kesehatan dunia WHO menyebutkan bahwa kanker telah menjadi penyebab utama kematian penduduk dunia. Terdapat 7,6 juta kematian yang disebabkan oleh kanker pada tahun 2008.Untuk mengurangi angka kematian tersebut, deteksi dini terhadap penyakit kanker menjadi sesuatu yang penting.  Semakin dini gejala kanker diketahui maka pengobatan menjadi semakin mudah dan angka kematian dapat ditekan.

Bagaimanapun, deteksi secara tradisional seperti biopsi yang merupakan diagnosa secara invasif memiliki resiko tinggi karena harus melakukan pembedahan. Diagnosa spektroskopi optis menjadi sebuah pilihan yang tepat, yaitu sebuah pendeketan non-invasif, di mana dapat mendeteksi perubahan biokimia dan morfologi tubuh.

Sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Cheng-Lun Tsai dan kawan-kawan, menyebutkan bahwa perkembangan terkini dari teknologi fotoelektrik menyebabkan perkembangan yang cepat pada optika biomedik. Pengukuran secara optis memiliki keuntungan dari sisi minimal invasif dan tidak ada permasalahan elektrik. Namun, aplikasi optika medis membutuhkan banyak pengetahuan dalam jalur dan distribusi cahaya dalam tissue. Tissue adalah jaringan biologi. Pemakaian istilah tissue digunakan agar bisa dibedakan dengan pengertian jaringan lain, seperti jaringan komunikasi.

”Bagaimana cahaya didistribusikan dalam tissue selama perambatan?” Karena distribusi cahaya dalam tissue bergantung pada sifat-sifat optisnya, selain itu tissue memiliki sifat optis yang tak homogen sehingga perambatan cahaya menjadi sangat kompleks. Kompleksitas tissue  ini menjadi tantangan tersendiri dalam penelitian ini. Pengukuran di dalam tissue tubuh tidak mungkin dilakukan karena akan merusak sistem tissue tersebut. Sehingga yang bisa kita ukur adalah cahaya yang terpantulkan kembali dari tissue. Jika perilaku perambatan cahaya dalam tissue bisa diketahui berdasarkan sifat optis tissue yang ada, maka adanya lesi atau tumor dalam jaringan dapat dideteksi dari perubahan perilaku cahaya.

Variasi komponen kimia yang ada dalam jaringan tubuh manusia memberikan informasi penting terhadap status kesehatan seseorang. Selain itu  menyajikan indikator penting untuk sejumlah diagnosa klinis dan  efek terapi. Pada banyak situasi, pendeteksian secara kontinu pada konsentrasi kimia ini telah memberikan manfaat untuk kesehatan modern. Metode pengukuran non-invasif telah menjadi aspirasi untuk waktu yang lama. Pemanfaatan spektroskopi near-infrared untuk pengamatan konsentrasi komponen darah secara non-invasif telah menjadi topik utama dalam aplikasi biomedikal optik.

Fenomena interaksi antara cahaya dengan jaringan tubuh antara lain: refleksi, refraksi, hamburan, hamburan dan polarisasi. Parameter yang berhubungan dengan fenomena tersebut adalah indeks bias (n), koefisien absorpsi (), koefisien hamburan (), dan faktor anisotropi (g) dari Henyey–Greenstein. Investigasi lengkap mengenai interaksi foton dengan jaringan kulit yang ada dalam tubuh manusia adalah sebuah pembahasan yang menarik. Perjalanan cahaya melewati tissue adalah masalah yang kompleks. Tidak seperti foton berenergi tinggi, seperti X-ray maupun laser, cahaya mengalami hamburan, absorbsi maupun emisi di dalam jaringan kulit.

Salah satu model yang dikembangkan adalah model Radiation Transport (RT). Namun solusi analitik dari model ini menjadi sulit didapatkan karena kompleksitas batas antara tissue dan lingkungan, dan aspek geometri dari tissue dan sumber cahaya[6]. Solusi dari model RT dapat didekati dengan pendekatan numerik Monte Carlo (MC). Dalam metode Monte Carlo, model stokastik dibangun sehingga nilai ekspektasi dari suatu variabel acak (atau gabungan dari beberapa variabel) adalah ekivalen dengan nilai dari kuantitas fisis yang akan ditentukan. Nilai ekspektasi ini kemudian diestimasi oleh rata-rata dari sampel independen yang merepresentasikan variabel acak tersebut. Untuk konstruksi dari sederetan sampel independen tersebut,  bilangan acak mengikuti distribusi dari variabel yang akan diestimasi.

Simulasi MC telah menjadi “gold standard” dari pemodelan migrasi foton. Perambatan foton menggunakan Simulasi MC memberikan ketelitian pendekatan yang fleksibel pada transpor foton dalam jaringan keruh. Metode tersebut menjelaskan aturan perambatan foton yang dieksresikan, dalam kasus yang sederhana sebagai distribusi probabilitas yang mendeskripsikan step size dari pergerakan foton diantara peristiwa interaksi foton-jaringan. Bagaimanapun juga, metode ini sebenarnya adalah berdasarkan pada statistik dan mengandalkan pada perhitungan perambatan foton dengan banyak foton dengan menggunakan komputer. Sehingga, metode ini membutuhkan waktu yang lama dalam simulasinya.

Metode MC adalah simulasi berdasarkan pergerakan energi cahaya yang dinyatakan dalam bentuk intensitas energi cahaya yang melalui sistem. Simulasi menjadi pekerjaan yang lebih sederhana karena energi adalah besaran skalar yang tidak memperhatikan fasa dan polarisasi. Kompleksitas jaringan dan fenomena hamburan yang banyak terjadi dalam jaringan menyebabkan kontribusi interferensi cahaya dapat diabaikan. Sehingga dalam simulasi MC mengabaikan peristiwa polarisasi, fasa dan interferensi.

Inhomogenitas sifat optik tissue menentukan jalur optik cahaya yang merambat di dalamnya. Adanya perbedaan sifat optik dari tissue normal, seperti tumor, menyebabkan perbedaan jalur lintasan optik. Sehingga posisi kanker dapat dideteksi dengan mengetahui lintasan optiknya. Pernyataan ini sesuai dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Tianxin Gao dan Jing Bai yang menunjukkan bahwa jalur optik dapat digunakan dalam penentuan lokasi fokus dari deteksi kanker payudara. Tumor dapat dianggap sebagai cromophore. Cromophore adalah partikel dalam tissue yang memiliki sifat optik berbeda terhadap tissue disekitarnya.

Dari beberapa penelitian yang telah disebutkan di atas, bisa disimpulkan bahwa simulasi MC dapat digunakan untuk mengestimasi jalur lintasan foton dalam tissue. Sehingga dari simulasi tersebut kita bisa menentukan posisi dan konsentrasi tumor yang ada di dalam tissue tanpa melakukan pembedahan secara langsung.

Namun simulasi ini harusnya dikonfirmasi kebenarannya dengan melakukan eksperimen. Sehingga hasil yang didapatkan menjadi lebih sempurna.

PENERAPAN KONSEP FISIKA DALAM PENGGUNAAN

CT SCAN

 Computerized Tomography Scanning atau yang lebih di kenal dengan nama CT-scan mempunyai prinsip kerja yang sama dengan rontgen, yaitu menggunakan sinar-X. Perbedaannya terletak pada gambar yang dihasilkan, dan juga cara kerjanya. Sinar-X mempunyai sifat tidak dibelokkan oleh medan listrik dan magnet serta mempunyai daya tembus yang sangat besar terhadap suatu benda. Karena itu sinar-X digunakan dalam alat-alat medis untuk melihat kenampakan tubuh manusia dan memeriksa kelainan dalam tubuh manusia yang tidak bisa di lihat dengan mata telanjang.

• Pengertian CT-scan

Ada banyak pengertian mengenai CT-Scan, di antaranya:

1. Tomography (CT) adalah sinar-X dengan menggunakan teknik tomografi dimana berkas sinar-X menembus bagian tubuh pasien dari berbagai arah. (Marthis Prokap and Michael Galanski, 2003 Chapter 1, P : 2)
2. CT ( Computed Tomography ) merupakan alat diagnostik sinar-X dengan metode tomografi transversal yang akan menghasilkan gambaran irisan melintang dengan hasil tampilan dalam skala algorithma. (Grey Scale dan J.Alexander)

Dari pernyataan di atas, maka dapat disimpulkan bahwa CT Scan adalah suatu prosedur yang digunakan untuk mendapatkan gambaran dari berbagai sudut kecil dari tulang tengkorak dan otak.(*tdk hanya u bagian kepala) Pemeriksaan ini dimaksudkan untuk memperjelas adanya dugaan yang kuat antara suatu kelainan, yaitu:

1. Gambaran lesi dari tumor, hematoma dan abses
2. Perubahan vaskuler : malformasi, naik turunnya vaskularisasi dan infark
3. Brain contusion
4. Brain atrofi
5. Hydrocephalus
6. Inflamasi

Berikut ini merupakan istilah-istilah lain dari CT-Scan yang biasa digunakan, di antaranya:

1. Computed / Computerized Tomography (CT)
2. Computed Axial Tomography (CAT)
3. Computerized Aided Tomography
4. Computerize Transverse Axial Tomography (CTAT)
5. Recontructive Tomography (RT)
6. Computed Transmission Tomography (CAT)
7. Pada akhirnya, ditetapkan oleh "Radiology and American Journal of Roentgenology" dengan istilah Computed Tomography (CT)

• Sejarah Perkembangan CT-Scan

1. Tahun 1917 , J.H. Radon melakukan transformasi radon, gambar dari objek yang tidak diketahui dapat digambarkan dari proyeksinya
2. Tahun 1963 , A.M. Cormack mulai mengembangkan teknik untuk menentukan distribusi penyerapan tubuh manusia
3. Tahun 1972 , G.N. Hounsfield dan J. Ambrose menghasilkan gambaran CT pertama kali untuk keperluan klinis
4. Tahun 1974, 60 unit CT terpasang untuk pemeriksaan kepala
5. Tahun 1975 , First Whole Body scanner in clinical use. Untuk pertama kalinya CT-Scan dapat digunakan untuk pemeriksaan seluruh tubuh
6. Tahun 1979 , Hounsfield dan Cormack dianugerahi hadiah nobel
7. Tahun 1989, diperkenalkannya Spiral CT
8. Tahun 1998, diperkenalkannya Multislice CT
9. Tahun 2000, lebih dari 30000 clinical CT Installations

• Prinsip Kerja CT-scan

Film yang menerima proyeksi sinar diganti dengan alat detektor yang dapat mencatat semua sinar secara berdispensiasi. Pencatatan dilakukan dengan mengkombinasikan tiga pesawat detektor, dua di antaranya menerima sinar yang telah menembus tubuh dan yang satu berfungsi sebagai detektor aferen yang mengukur intensitas sinar rontgen yang telah menembus tubuh dan penyinaran dilakukan menurut proteksi dari tiga titik, menurut posisi jam 12, 10 dan jam 02 dengan memakai waktu 4,5 menit.

• Prosedur

Adapun prosedur yang biasanya dilakukan sebelum memulai pemeriksaan melalui CT-Scan, yaitu:

1. Posisi pasien harus dalam keadaan terlentang dengan tangan terkendali
2. Meja elektronik masuk ke dalam alat scanner
3. Dilakukan pemantauan melalui komputer dan pengambilan gambar dari beberapa sudut yang dicurigai adanya kelainan
4. Selama prosedur berlangsung pasien harus diam absolut selama 20-45 menit
5. Pengambilan gambar dilakukan dari berbagai posisi dengan pengaturan komputer
6. Selama prosedur berlangsung perawat harus menemani pasien dari luar dengan memakai protective lead approan
7. Sesudah pengambilan gambar pasien dirapihkan.

Hal-hal yang perlu diperhatikan selama proses pemeriksaan tersebut, yaitu:

1. Observasi keadaan alergi terhadap zat kontras yang disuntikan. Bila terjadi alergi dapat diberikan deladryl 50 mg
2. Mobilisasi secepatnya karena pasien mungkin kelelahan selama prosedur berlangsung
3. Ukur intake dan out put. Hal ini merupakan tindak lanjut setelah pemberian zat kontras yang eliminasinya selama 24 jam
4. Oliguri merupakan gejala gangguan fungsi ginjal, memerlukan koreksi yang cepat oleh seorang perawat dan dokter bila terjadi hal tersebut pada pasien.

• Konsep Fisika dalam CT-Scan

Sinar-X merupakan salah satu dari aplikasi gelombang elektromagnetik yang menjadi sebuah fenomena yang ditemukan oleh Roentgen pada laboratoriumnya. Sebuah fenomena yang kemudian menjadi awal pencitraan medis (medical imaging) Penemuan ini juga menjadi titik awal perkembangan fisika medis di dunia, yang menkonsentrasikan aplikasi ilmu fisika dalam bidang kedokteran.

Citra atau gambar yang dihasilkan dari sinar-X ini sifatnya adalah membuat gambar 2 dimensi dari organ tubuh yang dicitrakan dengan memanfatkan konsep atenuasi berkas radiasi pada saat berinterakasi dengan materi. Gambar atau citra objek yang diinginkan kemudian direkam dalam media yang kemudian dikenal sebagai film. Dari gambar yang diproduksi di film inilah informasi medis dapat digali sesuai dengan kebutuhan klinis yang akan dianalisis.

Setelah puluhan tahun sinar-X ini mendominasi dunia kedokteran, terdapat kelemahan yaitu objek organ tubuh kita 3 dimensi dipetakan dalam gambar 2 dimensi. Sehingga akan terjadi saling tumpah tindih stukur yang dipetakan, secara klinis informasi yang direkam di film dapat terdistorsi. Inilah tantangan berikutnya bagi fisikawan untuk berkreasi. Tahun 1971, seorang fisikwan bernama Hounsfield memperkenalkan sebuah hasil invensinya yang dikenal dengan Computerized Tomography atau yang lazim dikenal dengan nama CT-Scan. Invensi Hounsfield ini menjawab tantangan kelemahan citra sinar-X konvensional yaitu CT dapat mencitrakan objek dalam 3 Dimensi yang tersusun atas irisan-irisan gambar (tomography) yang dihasilkan dari perhitungan algoritma komputer. Karya Hounsfield ini menjadi revolusi besar-besaraan dalam dunia pencitraan medis atau kedokteran yang merupakan rangkaian yang berkaitan. Citra/gambar hasil CT dapat menujukan struktur tubuh kita secara 3 dimensi, sehingga secara medis dapat dijadikan sebagai sebuah alat bantu untuk penegakkan diagnosa yang dibutuhkan. Untuk mengabadikan penemunya dalam CT terdapat bilangan CT atau Hounsfield Unit (HU), namun penemuan ini juga merupakan jasa Radon dan Cormack.

• Dampak Positif dan Negatif CT-Scan

CT-Scan merupakan salah satu alat medis yang kontroversial saat ini. Banyak orang yang merasa khawatir menggunakan CT-Scan dengan berbagai alasan. Sebenarnya jika diteliti lebih lanjut, lebih banyak kelebihan CT-Scan daripada kekurangannya.

CT scan (Computerized Tomography) merupakan alat imaging yang menggunakan sinar- X. Alat ini mula-mula digunakan untuk mengetahui kelainan-kelainan pada otak. Tetapi sejalan dengan perkembangannya alat ini dapat dipakai untuk mendeteksi kelainan-kelainan seluruh tubuh. Dengan CT Scan akan lebih banyak penyakit-penyakit yang dapat terdeteksi dimana dengan alat imaging konvensional tidak dapat terlihat. CT scan juga dapat digunakan untuk mengevaluasi kelenjar getah bening, paru, hati, otak, tulang belakang, atau daerah yang lain dengan detail terutama pada kasus metastasis. CT scan juga digunakan secara periodik selama perawatan untuk mengevaluasi respon pengobatan. Salah satu kelebihan pemeriksaan dengan CT scan adalah pemeriksaannya relatiif mudah, relatif aman, dan akurasi yang tinggi. Pada trauma spinal vVisualisasi dari fraktur tulang ( dengan dislokasi maupun tanpa dislokasi ) visualisasi adanya fragment tulang di dalam spinal canal(*baca lagi kalimatnya, diperbaiki agar ada maknanya). Di daerah thorax CT pada umumnya diperlukan untuk mendeteksi dampak trauma tumpul dan extensinya maupun organ-organ yang terkait, seperti ruptur diafragma dengan kemungkinan herniasi organ-organ abdominal ke intrathorakal, demikian juga laserasi pembuluh darah maupun struktur tracheobronchial merupakan indikasi penting CT-Scan. CT merupakan langkah lanjut, apabila ditemukan keraguan pada USG.

Kekurangan CT-Scan adalah logam membuat gambaran artefak (*baca lagi kalimatnya dan diperjelas) dan mempunyai efek samping radiasi karena menggunakan sinar-X untuk menghasilkan gambar potongan tubuh sehingga tentu saja pasien yang sedang dalam pemeriksaan CT-Scan akan terpapar dengan sinar- X. CT-Scan dengan teknologi saat ini hanya akan memaparkan 4% saja dari radiasi sinar-X yang dipaparkan oleh alat Rontgen sinar-X biasa. Oleh karena itu, ibu hamil tak dapat melakukan pemeriksaan CT-Scan dan wajib memberitahukan kondisi kehamilannya pada dokter sebelum dokter merekomendasikan pemeriksaan CT-Scan. Munculnya gambaran artefak (gambaran yang seharusnya tidak ada tapi terekam). Hal ini biasanya timbul karena pasien bergerak selama perekaman CT Scan berlangsung, pasien yang menggunakan tambalan gigi amalgam atau sendi palsu dari logam, atau kondisi jaringan tubuh tertentu yang mengakibatkan timbulnya gambaran artefak. Pada kasus trauma spinal fraktur yang paralel potongan CT dapat tak terdeteksi.